UNIVERSIDAD CATOLICA DE LA SANTISIMA CONCEPCION Facultad de Ingeniería
Ingeniería Civil
ESTIMACIÓN DE DAÑOS POR TSUNAMI EN IQUIQUE LUISA ISOLDE URRA ESPINOZA
PROYECTO DE TÍTULO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL
Profesor Guía
Dr. Rafael Aránguiz M.
Profesor Informante
Mauricio Villagrán
ii
Resumen
Los últimos terremotos de gran magnitud que han propagado tsunamis a la zona norte de Chile tuvieron lugar en 1868 y 1877, generando inundaciones de 12 y 10 m en Iquique respectivamente.
En el presente trabajo se modeló con TUNAMI un posible escenario de ruptura actual tomando como base estos eventos y considerando los sismos ocurridos en el último tiempo. Como resultado se observó que la inundación en la costa de Iquique no superó los 4 m y el flujo avanzó hasta una cota de terreno de 3m. Al incrementar el doble los desplazamientos se obtiene un evento de 𝑀𝑊= 9.0 que genera una inundación en la costa cercana a 7 m y
una intrusión del flujo en la ciudad hasta una elevación ligeramente menor a 10 m. Un tercer escenario, obtenido al descontar la ruptura desde Iquique hacia el norte, genera inundaciones de 5 m en Cavancha y no inunda la Zona Franca de Iquique (Zofri).
Posteriormente se estimaron los daños que el escenario 𝑀𝑊= 9.0 podría ocasionar en
Iquique. Para ello se utilizó un mapa con las máximas profundidades de flujo, un Sistema de Información Geográfico, clasificación de estructuras y curvas de fragilidad. Los resultados mostraron que el flujo inundaría aproximadamente 2320 estructuras, de las cuales 1200 corresponden a edificios de albañilería y 630 de madera.
De las edificaciones de albañilería afectadas, más de 500 pertenecen al sector de Zofri y 130 de ellas poseen una alta probabilidad de colapsar o ser completamente arrasadas por el flujo. De las 700 edificaciones restantes distribuidas desde el sector antiguo de Iquique hasta Cavancha, 150 podrían colapsar o ser arrasadas.
iii
Abstract
The last major earthquakes and tsunamis in northern Chile took place in 1868 and 1877, with inundation heights in Iquique approximately 10 to 12m.
Based on these two events and the greatest recent earthquakes, a possible future scenario was modeled using the TUNAMI code. As a result, the inundation height in Iquique's shoreline did not exceed 4 m, and the inundation penetrates the city until 3m of ground elevation. The displacement was increased twice to generate a Mw = 9.0 event, which generated a 7 m inundation height in the shoreline and a runup of 10 m. A third scenario was obtained by discounting the northern rupture area. This scenario did not generate inudation in the Duty Free of Iquique (Zofri), however a 5m inundation height in the Cavancha residence was estimated.
iv
A Dios, a mis padres y hermanos,
porque en ellos encuentro la fuerza
para alcanzar mis sueños.
v
Agradecimientos
Se agradece de manera especial al Proyecto JICA – SATREPS Chile y al Centro Nacional de Investigación para la Gestión Integrada de Desastres Naturales (CIGIDEN) por la beca de perfeccionamiento que hizo posible este trabajo.
Se agradece a la Dirección de Obras Portuarias (DOP), por facilitar batimetrías de detalle de Iquique.
Se agradece al Dr. Shunichi Koshimura por su gran disposición a compartir el conocimiento adquirido en sus múltiples investigaciones y por el tiempo y la voluntad de debatir sobre la aplicabilidad de ellas en este proyecto.
Agradezco a M.Sc. Bruno Adriano, por enseñarme algunos de los códigos y softwares que se utilizan en la modelación numérica de tsunamis y post-proceso de datos.
vi
Índice de Contenidos
1 INTRODUCCIÓN ... 1
1.1 Motivación ... 1
1.2 Justificación ... 4
1.3 Área de Estudio ... 8
1.4 Objetivos ... 10
2 MARCO TEÓRICO ... 11
2.1 Tsunami: Generación, propagación y efecto en la costa ... 11
2.1.1 Generalidades de una onda ... 11
2.1.2 Generación de Tsunamis ... 12
2.1.3 Propagación ... 13
2.1.4 Modificación y efectos del tsunami en la costa ... 15
2.2 Métodos de estimación de daños ... 19
2.2.1 Estimación de daños según Shuto (1993) ... 19
2.2.2 Estimación de daños según Papadopoulos (2001) ... 21
2.2.3 Estimación de daños según Papathoma (2003)... 25
2.2.4 Estimación de daños según Koshimura (2009) ... 28
3 MATERIALES Y MÉTODO ... 41
3.1 Mapas de inundación por tsunami ... 41
3.1.1 Elección de un evento tsunamigénico probable ... 41
3.1.2 Antecedentes Topobatimétricos ... 43
3.1.3 Condición Inicial ... 46
3.1.4 Modelo numérico ... 48
3.1.5 Mallas: Resolución espacial y temporal ... 49
vii
3.2.1 Clasificación de estructuras ... 50
3.2.2 Set de Curvas de Fragilidad ... 52
4 RESULTADOS ... 56
4.1 Mapas de inundación... 56
4.2 Estimación de daños ... 60
4.2.1 Clasificación de Estructuras... 60
4.2.2 Estimación de daños ... 61
5 ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 67
5.1 Condición Inicial ... 67
5.2 Máximas profundidades de flujo ... 67
5.2.1 Escenario 𝑀𝑊 = 8.81 ... 67
5.2.2 Escenario 𝑀𝑊 = 9.0 ... 68
5.2.3 Escenario 𝑀𝑊 = 8.89 ... 68
5.3 Estimación de daños ... 69
5.3.1 Cantidad y distribución de edificaciones inundadas ... 69
5.3.2 Cantidad y distribución de estructuras con daño nivel 3 o superior. ... 69
5.3.3 Análisis de la distribución de daño ... 70
5.3.4 Análisis de los mapas de zonificación ... 71
6 CONCLUSIONES ... 72
7 REFERENCIAS ... 74
8 ANEXOS ... 79
8.1 Anexo 2.1: Factores que afectan la vulnerabilidad según Papathoma ... 79
viii
Índice de Figuras
Figura 1.1: Devastación en Banda Aceh, Sumatra. Tsunami 2004 2 Figura 1.2: Alturas de inundación debido al tsunami de 2010 en Chile 3 Figura 1.3: Distribución de sismos históricos de Magnitud mayor a 6.0 en la zona
norte de Chile
4
Figura 1.4: Extensión aproximada de rupturas con magnitud mayor a 8.0 en la zona norte de Chile y sur de Perú
5
Figura 1.5: Área de Estudio: Iquique-Chile 8
Figura 2.1: Condición inicial de un tsunami 13
Figura 2.2: Daños del tsunami de 2010 en Chile 16
Figura 2.3: Medidas de un tsunami 19
Figura 2.4: Ejemplo de evaluación de vulnerabilidad según Papathoma 27
Figura 2.5: Curvas de fragilidad hipotéticas 29
Figura 2.6: Curvas de fragilidad para el tsunami de 2004 en Banda Aceh, Indonesia
29
Figura 2.7: Niveles de daño por teledetección (Gokon) 31
Figura 2.8: Niveles de daño por teledetección (Suppasri) 32 Figura 2.9: Niveles de daño mediante encuestas de campo (Gokon) 33 Figura 2.10: Niveles de daño mediante encuetas de campo (Murao) 34
Figura 2.11: Clasificación de estructuras (Murao) 35
Figura 3.1: Extensión espacial aproximada del dominio de cálculo 43 Figura 3.2: Topobatimetría de distinta resolución. (a) TB-1. (b) TB-2. (c) TB-3. 45
Figura 3.3: Parámetros de una falla planar 46
Figura 3.4: Extensión de los dominios 1 a 5, figuras (a) a (e) respectivamente. Poseen resolución espacial: (a) 810 m. (b) 270 m. (c) 90 m. (d) 30 m. (e) 10 m.
50
ix Figura 4.1: Condición inicial del tsunami para cada evento: (a) Mw=8.81. (b)
Mw=9.0. (c) Mw=8.9
56
Figura 4.2: Profundidad de Inundación de los escenarios Mw=8.81, Mw=9.0 y Mw=8.9 respectivamente, utilizando TUNAMI-N2
57
Figura 4.3: Profundidad de inundación máxima para el escenario Mw=9.0 utilizando TUNAMI-N2
58
Figura 4.4: Mareogramas virtuales en Zofri y Cavancha para el escenario Mw=9.0 utilizando TUNAMI-N2
59
Figura 4.5: Clasificación de materialidades en la ciudad de Iquique 60
Figura 4.6: Estimación de daño en seis niveles 61
Figura 4.7: Distribución del daño considerando dos niveles 63 Figura 4.8: Zonificación de la probabilidad de daño para edificaciones de
madera
64
Figura 4.9: Zonificación de la probabilidad de daño para edificaciones de albañilería
65
Figura 4.10: Zonificación de la probabilidad de daño para edificaciones de hormigón armado
x
Índice de Tablas
Tabla 1.1: Máximos run up por tsunami entre las latitudes -16° y -24° 6 Tabla 2.1: Escala de intensidad y daño de tsunami propuesta por Shuto 20 Tabla 2.2: Escala de intensidad y daño de tsunami propuesta por
Papadopoulos
21
Tabla 2.3: Relación entre la intensidad propuesta por Papadopoulos y la propuesta por Shuto
24
Tabla 2.4: Niveles de daño mediante clasificación por satélite 31 Tabla 2.5: Niveles de daño mediante clasificación en terreno (Gokon) 33 Tabla 2.6: Niveles de daño mediante clasificación en terreno (Murao) 34
Tabla 2.7: Clasificación de edificaciones (Murao) 34
Tabla 3.1: Categorización de estructuras 51
Tabla 3.2: Parámetros estadísticos del set de curvas de fragilidad 52 Tabla 3.3: Clasificación de seis niveles de daño estructural 53 Tabla 5.1: Distribución de posibles estructuras inundadas por un
Mw=9.0
69
1
1 INTRODUCCIÓN
1.1 Motivación
Chile se encuentra ubicado en el extremo occidental de la placa sudamericana, cerca de 100 km al Este de donde se produce la subducción de la placa de Nazca, la que crece y crea nuevo fondo marino debido al magma proveniente de la Cordillera Mezo-dorsal del Pacífico, empujando entre 65 y 74 mm hacia el continente cada año (Rhea, et al., 2010). La placa Sudamericana posee una mayor densidad que la de Nazca y producto de esta interacción se genera un valle profundo en el fondo del océano llamado “Fosa de Perú-Chile” o “Fosa de Atacama” que registra profundidades cercanas a 8.000 m.
Alrededor de la zona de subducción ocurren distintos tipos de falla, siendo los “sismos interplaca” los únicos de interés en este estudio, pues estos se producen cuando las placas logran destrabarse y se desplaza el fondo marino tanto horizontal como verticalmente. Este tipo de ruptura es responsable de los mayores terremotos y tsunamis registrados en Chile.
Luego del gran terremoto y tsunami de Tohoku en 2011, el gobierno Japonés implementó la utilización de dos niveles de inundación por tsunami para diferenciar el impacto esperado y proponer medidas de mitigación estructural o no estructural según corresponda (Shibayama, et al., 2013). Eventos relativamente recurrentes, con periodos de retorno inferior a 150 años y profundidades de inundación menor a 10 m se conocen como “Tsunami Nivel 1”, y el plan de acción ante ellos es reducir los daños estructurales mediante la construcción de muros costeros, rompeolas, bosques de mitigación o alzamiento del nivel de terreno.
2 Ejemplo de tsunami nivel 2 sería el gran terremoto y tsunami que impactó la costa oeste de Sumatra, Indonesia en 2004, el cual afectó más de 10 países, registrando una altura de onda máxima de 30 m en la costa, cerca de 300.000 fallecidos y una gran destrucción (USGS, 2004) (Paris, et al., 2006). (Ver Figura 1.1)
Figura 1.1: Devastación en Banda Aceh, Sumatra. Tsunami 2004. Fuente: (DigitalGlobe, 2004)
Adicionalmente, un evento nivel 1 sería el tsunami de 2010 en Chile. Donde en promedio se registraron alturas de inundación menor a 10 m (Ver Figura 1.2), afectando alrededor de 32.000 viviendas, de las cuales cerca de 8.000 fueron completamente destruidas (RMS, 2011).
Actualmente en Chile no existen normas que regulen la construcción de viviendas (o estructuras en general) en zonas costeras, no existe una evaluación de riesgo o vulnerabilidad, ni tampoco una zonificación clara sobre las profundidades de inundación más probables a las que se podría ver afectado cada sector en caso de ocurrir un Tsunami Nivel 1.
3 Figura 1.2: Alturas de inundación debido al tsunami de 2010 en Chile.
Fuente: (RMS, 2011)
4
1.2 Justificación
Analizando la historia sísmica del norte de Chile, es posible observar una gran cantidad de eventos de magnitud superior a 6.0 (Ver Figura 1.3), de los cuales el último ocurrió frente a la costa de Iquique en el año 2014 y registró una magnitud 𝑀𝑤~8.1 (Yagi, et al., 2012).
Figura 1.3: Distribución de sismos históricos de Magnitud mayor a 6.0 en la zona norte de Chile.
Fuente: (USGS, 2014).
Dos grandes áreas de ruptura caracterizan los eventos de mayor intensidad de los que se tenga registro en el norte de Chile, siendo ambas generadoras de tsunamis de campo cercano. Una de ellas está ubicada en la costa sur de Perú y ha sufrido 3 terremotos de magnitud cercana a 8.8 en menos de 300 años (1604, 1784 y 1868), por lo que se determina que eventos de este tipo tienen un periodo de retorno de 111 ± 33 años (Comte & Pardo, 1991). En 2001 un sismo 𝑀𝑤= 8.4 abarcó más de la mitad del área usual de ruptura de
5 La segunda zona comprende desde el sur de Arica hasta el norte de Antofagasta, habiendo fallado completamente en 1877 con una magnitud estimada de 𝑀 = 8.8. En el año 2007 ocurrió una ruptura en el extremo sureste de esta falla, registrándose una magnitud de momento 𝑀𝑤= 7.7.
En 2011 un estudio estimó que un terremoto de magnitud de momento cercana a 8.8 podría ocurrir entre la zona sur de Perú y norte de Chile (600 km), basándose en la energía acumulada debido al déficit de desplazamiento relativo de las placas de Nazca y Sudamericana, desde 1877 en Chile y 1868 en Perú y descontando la energía liberada por los sismos descritos anteriormente (Chlieh, et al., 2011).
En Abril de 2014 un evento 𝑀𝑤= 8.1 remeció la costa de Iquique, producto del cual se
6 extienda entre Ilo y Arica y otro que una el sur de la reciente falla y Antofagasta (Aránguiz, et al., 2015) (ver Figura 1.4).
En la Tabla 1.1 se muestran los tsunamis con mayor run up que posee el registro de la NGDC para la zona norte, entre las latitudes -16° y -24°.
Tabla 1.1: Máximos run up por tsunami entre las latitudes -16° y -24°.
Fecha
Mag. Sismo
Origen, parámetros y efectos del Tsunami
Año Mes Día h Mn País Latitud Longitud Alt. máx. agua [m]
Núm. de
runups Muertes
1705 11 26 CHILE -18.6 -70.2 8 1
1868 8 13 21 30 8.5 (Ms) CHILE -18.6 -71 18 119 25000
1877 5 10 0 59 8.3 (Ms) CHILE -21.5 -70.5 24 105 2477
Fuente: (NGDC, 2014)
En los Registros Históricos de Tsunamis que posee el Servicio Hidrográfico Oceanográfico de la Armada de Chile (SHOA, 1995), los eventos de 1868 y 1877 se califican con una magnitud Richter de 8.8.
Hatori (1968) propone alturas de inundación para el evento de 1877 cercanas a 12 metros en Arica, 6 m en Iquique, 10 m en Mejillones y una máxima de 24 m en Tocopilla.
Kulikov, et al. (2005) presenta una estimación distinta para el evento de 1877, con alturas de inundación de 14 m en Arica y Mejillones. Mientras que para el terremoto y tsunami de 1868 estipula alturas cercanas a 15 m en Arica, 12 en Iquique y 6 en Antofagasta.
7 para el desarrollo de comunidades resiliente frente a tsunamis”, el que se desprende del programa gubernamental de cooperación internacional SATREPS (Science and Technology Research Partnership for Sustainable Development) y es auspiciado por la Agencia de Cooperación Internacional de Japón (JICA) y la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón (JST).
8
1.3 Área de Estudio
La ciudad de Iquique está localizada en la zona norte de Chile, I Región de Tarapacá (Ver Figura 1.5). Posee playas muy atractivas, edificios históricos y un excelente clima durante todo el año, por lo que el turismo tiene una fuerte influencia en la economía. Además cuenta con derechos de puerto libre, por lo cual comercializa a través del océano Pacífico con Perú, Brasil, China, Hong Kong y Taiwán entre otros.
Iquique también cuenta con el puerto pesquero más grande de Chile, el cual cubre un 30% de la demanda nacional de anchoveta y jurel y el 50% y 60% de la producción de harina y aceite de pescado respectivamente.
El área norte de la ciudad es utilizada por Zofri (Zona Franca de Iquique) y se compone principalmente por bodegas de dos o tres pisos con muros de albañilería, popularmente
9 llamado “barrio industrial”, en el cual se realiza la carga/descarga de camiones y comercio al por mayor. Zofri cubre un área de 240 [ha] de la cual aproximadamente el 70% se encuentra bajo una elevación de 10 [m], lo que la convierte en una zona altamente inundable.
Al sur de la zona franca comienza el sector antiguo de Iquique, lugar en que se encuentran los edificios históricos y donde las viviendas son predominantemente de madera. Desde Playa Cavancha hacia Playa Brava cambia gradualmente la materialidad de las estructuras al tratarse de construcciones más recientes, siendo en su mayoría de hormigón armado o albañilería. La pendiente entre la playa y la cota 10 m es aproximadamente 1.1% en Cavancha y 2.5% en Playa Brava, considerando una línea perpendicular a la costa.
10
1.4 Objetivos
El objetivo general de este trabajo es la estimación del daño estructural en Iquique producto del tsunami generado por un posible evento sísmico de magnitud de momento mayor o igual a 𝑀𝑤= 8.8.
La estimación que se pretende aplicar consiste en predecir el nivel de daño estructural que sufrirían distintos tipos de edificaciones en caso de ser impactadas por un tsunami con determinadas características hidrodinámicas y proponer una zonificación que permita desarrollar conciencia sobre el nivel de riesgo al construir en determinados lugares.
Dentro de los objetivos específicos se encuentran:
- Identificar el tipo de material con el cual están construidas las estructuras en Iquique y generar una base de datos georreferenciada.
- Modelar numéricamente los escenarios de tsunami probables que pudiesen generar las mayores inundaciones la en la zona de estudio.
- Crear mapas de inundación a partir de los posibles escenarios de tsunami que afectarían la ciudad.
11
2 MARCO TEÓRICO
2.1 Tsunami: Generación, propagación y efecto en la costa
“Tsunami” es un palabra de origen Japonés compuesta por dos vocablos cuyo significado literal es “Ola de Puerto” (津: Tsu: puerto y 波: Nami: ola).
A grandes rasgos, se puede definir un Tsunami como una serie de ondas largas generadas por una perturbación violenta del fondo marino. En el océano posee una longitud de onda del orden de cientos de kilómetros, una amplitud de 30 cm a 60 cm, periodos entre 15 y 60 minutos, y velocidades cercanas a 600 km/h. Mientras que en la costa la velocidad disminuye pudiendo superar los 10 m/s y la altura podría aumentar varios metros.
2.1.1 Generalidades de una onda
Como se explicará más adelante, el tsunami se comporta como una onda, por ello es recomendable recordar ciertos conceptos.
Una onda es la propagación de una perturbación desde el punto en que se originó a través del medio que lo rodea. Las ondas únicamente transportan energía, no materia.
Si descompusiéramos una onda en muchos puntos veríamos que cada punto permanece siempre en la misma ubicación horizontal, aunque su posición vertical varía en el tiempo. Sin embargo, las ondas en el océano son un poco distintas pues las partículas realizan movimientos oscilatorios.
Algunos elementos de la onda de tsunami que se mencionan en este texto son:
- Longitud de onda (𝐿): Distancia horizontal entre el mismo punto de dos ondulaciones consecutivas. Posee valores entre 20 y 300 km.
- Amplitud (Α): Distancia desde el punto más alto de la onda hasta el eje horizontal de equilibrio.
12 - Periodo (Τ): Tiempo empleado por la onda en completar una longitud de onda. - Velocidad (𝑐): La velocidad a la que se propaga el movimiento ondulatorio depende
de la profundidad oceánica.
- Altura de inundación (z): Elevación o cota en la que se registró inundación, medida con respecto al nivel medio del mar.
- Profundidad de inundación: Diferencia local entre la elevación de la marca de agua y la elevación del terreno.
- Refracción: Cambio de dirección de la onda debido a un cambio en la profundidad. Cuando la profundidad oceánica disminuye la velocidad del frente de onda también disminuye y aumenta su altura.
- Difracción: Dispersión de la energía debido a obstáculos, apareciendo pequeños sistemas de ondas.
- Reflexión: Se produce cuando la onda choca contra un obstáculo y se refleja con el mismo ángulo de incidencia.
2.1.2 Generación de Tsunamis
Los tsunamis se generan por perturbaciones del fondo oceánico como terremotos, derrumbes submarinos o erupciones volcánicas, no obstante, en las costas de Chile se gatillan principalmente por sismos de gran magnitud capaces de desplazar verticalmente el fondo del mar una distancia de unos cuantos metros.
En la costa norte de Chile, la placa de Nazca empuja el fondo oceánico a una velocidad constante aproximada de 73 mm/año (Rhea, et al., 2010), sin embargo, su movimiento se encuentra trabado por la fuerza de roce que existe con la placa continental. Si la fuerza producto de la energía de deformación acumulada en la zona interplaca es mayor a la fuerza de roce, podría generarse una ruptura brusca que permita el desplazamiento. A este movimiento se le conoce como terremoto interplaca.
Actualmente la intensidad de un sismo se evalúa mediante la magnitud de momento 𝑀𝑊.
Este valor es adimensional y depende de la energía total liberada en un terremoto, el área de ruptura, el desplazamiento promedio y la rigidez del suelo.
13 𝑀𝑊=
2
3(log10𝑀0− 9.1)
El momento sísmico 𝑀0 representa energía, por lo que se mide en unidades de fuerza y
desplazamiento (N* m) y su ecuación es: 𝑀0= 𝜇𝐴𝜐
Donde 𝜇 es el módulo de deformación del suelo (30 GPa generalmente), A es el área de ruptura de la falla y 𝜐 es el desplazamiento promedio de A.
A la deformación inicial de la superficie de agua se le denomina “condición inicial” (Ver Figura 2.1-2) y se considera igual al desplazamiento vertical del fondo marino producto del sismo.
Figura 2.1: Condición inicial de un tsunami Fuente: (Comunidad andina, PREDECAN, s.f.)
2.1.3 Propagación
La masa de agua levantada intentará inmediatamente volver a la posición de equilibrio, por lo que transmitirá su energía en todas direcciones, generando así la primera onda del tsunami.
(1)
14 La profundidad media en el Océano Pacífico es cercana a los 4 km, muy inferior a los cientos de kilómetros que caracterizan la longitud de onda de un tsunami, por lo cual es posible estudiar su comportamiento mediante la teoría de ondas largas.
Esta teoría de aproximación puede aplicarse a ondas que poseen una profundidad relativa pequeña, es decir, cuando la longitud de onda (𝐿) es al menos 20 veces mayor a la profundidad del agua (ℎ).
ℎ 𝐿<
1 20
Para este tipo de ondas, la aceleración vertical de las partículas de agua es despreciable en comparación con la aceleración de gravedad, por lo que el movimiento vertical no tiene efectos en la distribución de presiones, siendo una buena aproximación asumir que la presión es hidrostática.
Toda onda tiene un efecto orbital que alcanza una profundidad igual a la mitad de su longitud de onda, es decir, el agua siente la influencia de la superficie hasta una profundidad 𝐻 igual a:
𝐻 ≤ 𝐿 2
Lo que aplicado a la onda del tsunami provoca que el efecto orbital sea constante en toda la profundidad. Por ello se asume que la velocidad horizontal es verticalmente uniforme. Así, la velocidad de propagación del tsunami depende únicamente de la profundidad oceánica y puede ser calculada como:
𝑐 ≤ √𝑔 ∙ ℎ
Donde 𝑐 es la Celeridad, 𝑔 es la aceleración de gravedad (9.81 𝑚/𝑠2) y ℎ corresponde a la profundidad media del fondo marino. Lo que daría una velocidad de propagación aproximada en el Océano Pacífico de 713 km/h.
Cuando se arroja una piedra al agua en reposo, es posible observar que se propagan varias ondas cuya diferencia de velocidades provoca que se vayan distanciando entre sí. Este (3)
(4)
15 efecto se conoce como “dispersión” y se produce por la separación de ondas de una misma frecuencia.
La distancia entre el lugar de origen del tsunami y el punto en que debe comenzar a considerarse el efecto de la dispersión en la propagación, se obtiene como el producto entre la velocidad de la onda (≈ 600 𝑘𝑚/ℎ𝑟) y el tiempo requerido para que el primer grupo de ondas se retrase una distancia igual a la longitud de onda. Es decir, para tsunamis de campo
cercano, como los que afectan mayormente a Chile (≈
100 𝑘𝑚 entre la fosa oceánica y la costa), el efecto de dispersión se desprecia.
Las ondas lineales se propagan en una sola dimensión o rayo y obedecen el principio de superposición lineal, es decir, si dos o más ondas viajeras se están moviendo a través de un medio, la función de onda resultante en cualquier punto es la suma algebraica de las funciones de las ondas individuales. Un ejemplo sencillo para visualizar el concepto de onda lineal (o no lineal) es mediante la luz. Una onda lineal estaría representada por el rayo de luz de un láser y una onda no lineal sería la luz que emana una lámpara. Así, en el océano la onda de tsunami se considera lineal y al acercarse a la costa se trata como una onda no lineal.
2.1.4 Modificación y efectos del tsunami en la costa
Cuando la onda de tsunami se acerca a la costa, la linealidad deja de ser representativa y el estudio comienza a considerar la onda como no lineal, además, los conceptos de reflexión, refracción y difracción comienzan a tomar importancia. La pendiente del fondo marino, así como el ángulo de incidencia del frente de onda con respecto a la costa influyen fuertemente en la altura que alcanzará. La topografía por su parte, afecta a la velocidad, la profundidad y la cota de inundación máxima.
16 Dependiendo de las profundidades y las velocidades que presente el flujo de inundación, los daños estructurales pueden llegar a ser realmente devastadores, arrasando edificaciones desde sus cimientos.
La Figura 2.2 muestra algunos ejemplos del nivel de daño que provocó el tsunami de 2010 en Chile.
Figura 2.2: Daños del tsunami de 2010 en Chile
17 - Inundación horizontal: Distancia horizontal inundada medida desde la línea de costa
y generalmente medida en forma perpendicular a la costa.
- Máxima intrusión horizontal: máximas distancias de inundación horizontal alcanzadas para una zona costera determinada. Es posible que su determinación considere más de un evento de tsunami, en cuyo caso corresponderá a la envolvente de las Líneas de Inundación de eventos individuales.
- Línea de Inundación, 𝐼(𝑥, 𝑦): Lugar geométrico de todos los puntos correspondientes a la máxima intrusión horizontal del tsunami. Es posible que su determinación considere más de un evento de tsunami, en cuyo caso corresponderá a la envolvente de las Líneas de Inundación de eventos individuales.
- Runup, 𝑅(𝑥, 𝑦):Diferencia entre la cota del punto de máxima intrusión horizontal alcanzado por el tsunami y el nivel de referencia vertical relevante al tsunami NRE. Se calcula de acuerdo a la siguiente expresión:
𝑅(𝑥, 𝑦) = 𝑧(𝐼(𝑥, 𝑦)) − 𝑁𝑅𝐸 (1)
Se debe notar que para una zona de estudio dada, el valor de runup no es único, ya que es función de la topografía. En lugares donde la cota no esta medida en relación a la máxima intrusión horizontal, esta diferencia se llama altura o cota de inundación. Su unidad de medida es en metros.
- Distribución de Runup: conjunto de valores que alcanza el runup a lo largo de una zona costera determinada.
18 - Profundidad de Inundación, 𝑑(𝑥, 𝑦): Diferencia entre la cota máxima de la superficie libre del fluido durante el evento y la cota de terreno existente en el mismo punto. Su unidad de medida es en metros. De acuerdo a las definiciones anteriores, puede ser estimado como:
𝑑(𝑥, 𝑦) = ℎ(𝑥, 𝑦) − 𝑧(𝑥, 𝑦) (2)
- Velocidad del flujo, 𝑈⃗⃗ (𝑥, 𝑦, 𝑡): Vector de velocidad del flujo en cada punto del dominio. Es una cantidad variable en el tiempo, tanto en sentido como magnitud. Su unidad de medida es en metros por segundo.
19
2.2 Métodos de estimación de daños
2.2.1 Estimación de daños según Shuto (1993)
Shuto (1993) trabajó con registros históricos de tsunamis en Japón, como por ejemplo, del Gran tsunami de Meiji Sanriku 1896, que inundó hasta una elevación de 38 metros sobre el nivel medio del mar dejando un total de 22.000 fallecidos. También trabajó con algunos registros extranjeros, como del tsunami de Chile en 1960.
De los datos empíricos que extrajo, definió una intensidad de tsunami “i” como función de la altura local de inundación “H”:
𝑖 = log2𝐻
Figura 2.3: Medidas de un tsunami Fuente: (Japan Weather Association, n.d.)
También definió la probabilidad de daño “𝑃𝐷” que podían sufrir estructuras como, casas, edificios o botes de pesca. La estimación de daños de casas es la más utilizada y está dada por:
𝑃𝐷 =
𝑎 + 𝑏 + 𝑐/2 𝑎 + 𝑏 + 𝑐 + 𝑑
(12)
20 Donde a, b, c y d son el número de casas arrastradas, completamente destruidas, con daños moderados o sólo inundadas, respectivamente.
Finalmente, creó una escala de intensidad de tsunami para clasificar el grado de daño que sufrirían distintas estructuras (Ver Tabla 2.1).
Tabla 2.1: Escala de intensidad y daño de tsunami propuesta por Shuto
Intensidad 0 1 2 3 4 5
Casa de madera Daño Parcial Destruida
casa de piedra Sobrevive Destruida
Edificio de hormigón armado Sobrevive Destruido
Altura maxima de Runup [m] 1 2 4 8 16 32
Fuente: Modificada de Shuto (1993)
21 2.2.2 Estimación de daños según Papadopoulos (2001)
Papadopoulos & Imamura (2001) propusieron una escala de intensidad de tsunami de 12 grados, la cual está relacionada con los 12 grados de intensidad sísmica de la escala de Mercalli.
Explicaron que esta escala de intensidad de tsunami poseía independencia de parámetros físicos, ya que no consideraba la altura de la onda, la dirección del flujo, ni la duración de la perturbación del agua. Tenía una gran sensibilidad, ya que incorporaba un adecuado número de grados para describir pequeñas diferencias en el efecto del tsunami, y por último, poseía una descripción detalla del impacto humano, ambiental y estructural que podría provocar cada grado de intensidad (Ver Tabla 2.2).
Tabla 2.1: Escala de intensidad y daño de tsunami propuesta por Papadopoulos Escala de intensidad de tsunami
Intensidad Efecto en personas Efecto en objeto Daño de estructuras
I Indetectable
Indetectable incluso bajo las más
favorables circunstancias
Sin efectos Sin daños
II Ligeramente detectable
Detectable por algunas personas a bordo de pequeños
barcos. No observable desde la
costa.
Sin efectos Sin daños
III Débil
Detectable por personas a bordo
de pequeños barcos. Observable
por algunos desde la costa.
Sin efectos Sin daños
IV
Observado en gran medida
Detectable por todos a bordo de
barcos chicos y algunos a bordo de
barcos grandes. Observable por casi
Movimiento ligero de algunos barcos pequeños
en la costa
22 todos desde la
costa.
V Fuerte
Detectable por todos a bordo de barcos grandes. Observable por todos desde la costa. Algunas personas se asustadas corren a tierras más
elevadas
Muchos barcos pequeños se mueven fuertemente en la costa, algunos chocan entre
sí. Leves inundaciones en suelos cultivables
Leves inundaciones fuera de las instalaciones (ej.:
Jardines)
VI Ligeramente dañino
Muchas personas se asustan y corren
a tierras más elevadas
Gran parte de los barcos pequeños se mueven violentamente en la costa y chocan entre sí con mucha
fuerza.
Daño e inundaciones en algunas estructuras
de madera. Las edificaciones de albañilería resisten
VII Dañino
Muchas personas se asustan y corren
a tierras más elevadas
Muchos barcos pequeños dañados. Algunos barcos
grandes se mueven violentamente. Objetos de tamaño variado se vuelcan y
van a la deriva. Algunas balsas de acuicultura son
arrastradas por el flujo.
Muchas estructuras de madera dañadas, algunas
destruidas o arrasadas. Daños leves e inundación
en algunas edificaciones de
albañilería
VIII Muy dañino
Todas las personas escapan a tierras elevadas, algunas son arrastradas por
el flujo
La mayor parte de los barcos pequeños están dañados, muchos fueron arrastrados. Algunos barcos
grandes se mueven violentamente y chocan entre ellos. Objetos de gran
tamaño van a la deriva. Extensas inundaciones.
Muchas balsas de acuicultura son arrastradas
y algunas parcialmente dañadas
La mayor parte de las estructuras de madera destruidas o arrasadas. Daños
de grado 2 en algunas edificaciones de
albañilería. La mayor parte de las
edificaciones de hormigón armado resisten sin daño, algunas presentan daños de grado 1 e
23 IX Destructivo
Muchas personas son arrastradas por
el flujo
La mayor parte de los barcos pequeños son destruidos o
arrasados. Muchos barcos grandes se mueven violentamente, algunos destruidos. La mayor parte de las balsas de acuicultura
son arrasadas y muchas parcialmente dañadas
Daños de grado 3 en muchas edificaciones de albañilería. Algunas
estructuras de hormigón armado
sufren daños de grado 2
X Muy destructivo
Pánico general. La mayor parte de las
personas son arrastradas
Casi todos los barcos grandes se mueven violentamente en tierra, muchos están destruidos o
collisionan con las edificaciones. Pequeñas rocas del fondo marino se mueven tierra adentro. Los autos se vuelcan y van a la deriva. Derrames de petroleo
e incendios. Extensos hundimientos de suelo
Daños de grado 4 en muchas edificaciones de albañilería. Algunas
estructuras de hormigón armado
sufren daños de grado 3.
XI Devastador
Grandes incendios. Grandes rocas del fondo marino se mueven tierra adentro. Autos y objetos grandes se vuelcan
y van a la deriva.
Daños de grado 5 en muchas edificaciones de albañilería. Algunas
estructuras de hormigón armado
sufren daños de grado 4, muchas sufren daños grado
3.
XII Totalmente
devastador
Practicamente todas las edificaciones de
albañilería son destruidas. La mayor parte de las
estructuras de hormigón armado
24 Finalmente, crearon una correlación entre la escala propuesta por ellos y la escala de intensidad y altura de inundación propuesta por Shuto (1993) (Tabla 2.3)
Tabla 2. 2 Relación entre la intensidad propuesta por Papadopoulos y la propuesta por Shuto
Papadopoulos
2001 Shuto 1993
Intensidad Intensidad H (m)
I - V 0 <1.0
VI 1 2
VII - VIII 2 4
IX - X 3 8
XI 4 16
XII 5 32
25 2.2.3 Estimación de daños según Papathoma (2003)
El modelo de evaluación de vulnerabilidad ante tsunami de Papathoma fue desarrollado utilizando información detallada sobre impactos de tsunamis históricos, estudios post-tsunami y evaluaciones de daño de edificaciones. Como su finalidad es identificar y cuantificar la vulnerabilidad a un tsunami hipotético, no considera factores como la región de origen, dirección de aproximación de la onda, batimetría, configuración costera o procesos hidrodinámicos. Éste es el primer método que no generaliza la estimación de daños, sino todo lo contrario, realiza un análisis independiente para cada lugar estudiado, es decir, analiza y clasifica individualmente cada edificación y espacio abierto dentro de la zona de inundación (Papathoma et al. (2003), Papathoma & Dominey-Howes, (2003)).
El proceso de evaluación consta de 4 pasos:
I. Identificación de la zona de inundación y de las zonas de profundidad de inundación: La zona de inundación corresponde al área entre la línea de la costa y la curva de nivel correspondiente a la máxima altura de inundación del tsunami. Esta cota se define a través del peor escenario posible, por ejemplo, suponiendo que se repetirá un tsunami de altura similar al ocurrido hace un siglo atrás.
Las zonas de profundidad de inundación se obtienen subdividiendo la zona de inundación cada ciertas curvas de nivel, pues se entiende que la profundidad de agua del tsunami variará con la elevación del suelo. Además, se asume que a mayor profundidad de inundación, mayor vulnerabilidad.
II. Identificación de los factores que afectan la vulnerabilidad de edificaciones y personas. Recolección de estos datos:
Existen varias características que pueden aumentar la vulnerabilidad de las edificaciones dentro de la zona de inundación y deben evaluarse para cada una de las construcciones de manera individual. (Anexo 2.1)
26 Los datos obtenidos en el punto anterior se estandarizan de la siguiente forma:
𝑃𝑢𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝛼 = 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝛼/𝑝𝑢𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜
La vulnerabilidad de cada edificio (BV) está dada por:
𝐵𝑉 = 7 ∙ 𝑎 + 6 ∙ 𝑏 + 5 ∙ 𝑐 + 4 ∙ 𝑑 + 3 ∙ 𝑒 + 2 ∙ 𝑓 + 1 ∙ 𝑔
Donde a, b, c, d, e, f y g son los puntajes estandarizados del material del edificio; las barreras del edificio; el número de pisos del edificio; el entorno de construcción; la condición de la planta baja del edificio; la defensa contra el mar en frente del edificio y; la anchura de la zona intertidal en frente del edificio, respectivamente.
La vulnerabilidad humana (HV) de cada edificio está dada por: 𝐻𝑉 = 𝐵𝑉 ∙ 𝑃
Donde P: Población.
IV. Presentación de la vulnerabilidad de edificaciones y de la vulnerabilidad humana. La distribución de la vulnerabilidad se muestra a través de un sistema de información geográfica (GIS), en el que previamente se han introducido todas las condiciones y parámetros evaluados.
La Figura 2.4 muestra el resultado de una evaluación de vulnerabilidad de edificios utilizando este método. La zona de inundación corresponde al área comprendida entre la línea de costa y la última curva de nivel. Las zonas de profundidad de inundación están divididas en High, Medium, Low y Very Low ID Zone. La vulnerabilidad de cada una de las edificaciones dentro de la zona de inundación está clasificada en High, Medium y Low Vulnerability.
(14)
27 Figura 2.4: Ejemplo de evaluación de vulnerabilidad según Papathoma
28 2.2.4 Estimación de daños según Koshimura (2009)
Koshimura, et al. (2009) propusieron la utilización de curvas de fragilidad como un nuevo método para evaluar el daño estructural sufrido por una localidad impactada por tsunami. Estas curvas son distribuciones de probabilidad Normal o Lognormal que representan la probabilidad de ocurrencia de daño acumulada, dadas por las ecuaciones (16) o (17).
𝑃𝐷(𝑥) = Φ [
𝑥 − 𝜇 𝜎 ] = ∫
1 √2𝜋 𝜎
𝑥 −∞
exp (−(𝑡 − 𝜇)
2
2𝜎2 ) 𝑑𝑡
𝑃𝐷(𝑥) = Φ [
ln 𝑥 − 𝜆 𝜉 ] = ∫
1 √2𝜋 𝜉𝑡
𝑥 −∞
exp (−(𝑙𝑛 𝑡 − 𝜆)
2
2𝜉2 ) 𝑑𝑡
Donde 𝑃𝐷(𝑥) representa la probabilidad de daño estructural o la tasa de fatalidad, Φ
representa la función de distribución normal o lognormal estandarizada (con media igual a 0 y desviación estándar igual a 1), 𝑥 (o ln 𝑥) se evalúa con las características hidrodinámicas del flujo de inundación (profundidad de inundación, velocidad del flujo y fuerza hidrodinámica), 𝜇 (o 𝜆) es la media y 𝜎 (o 𝜉) es la desviación estándar.
Suponiendo que existen dos ciudades idénticas sometidas a un mismo evento y donde la única diferencia es que las edificaciones de la cuidad “A” son en su mayoría de materiales livianos (madera) y las estructuras de la ciudad “B” son principalmente de albañilería. La curva de fragilidad hipotética de cada ciudad sería similar a las que se muestran en la Figura 2.5.
De esto es posible extraer, por ejemplo, que de todas las estructuras afectadas por una inundación local de 3 [m], en las ciudades “A” y “B” colapsarían un 45% y 20% de ellas respectivamente. Esta información, cruzada con un mapa de inundación nos muestra cuales son las zonas más vulnerables de la localidad (estructuralmente).
(16)
29 Figura 2.5: Curvas de fragilidad hipotéticas
En la Figura 2.6 se observan las curvas de fragilidad para cada uno de los parámetros hidrodinámicos del flujo de inundación, desarrollas por Koshimura, et al. (2009) para estudiar los daños causados por el gran tsunami de Sumatra-Andaman en 2004.
Figura 2.6: Curvas de fragilidad para el tsunami de 2004 en Banda Aceh, Indonesia. Fuente: Koshimura, et al. (2009)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Pro
b
a
b
ili
d
a
d
d
e
d
a
ñ
o
Profundidad de inundación [m] Curvas de fragilidad
Ciudad A
30 Existen tres métodos principales y muy utilizados para construir curvas de fragilidad:
- Mediante teledetección por satélite y modelación numérica
- Mediante teledetección por satélite y trabajo de campo
- Mediante teledetección por satélite, modelación numérica y trabajo de campo
Sin embargo, antes de describir los distintos procedimientos es necesario comprender el enfoque con que se utilizan estas herramientas,
Teledetección por satélite:
En la actualidad existen satélites comerciales dedicados a tomar fotografías georreferenciadas de cualquier parte del planeta a muy alta resolución, ejemplo de ello son los satélites QuickBird, IKONOS-2 o WorldView-2, los que poseen una resolución espacial de 0.65 m, 0.82 m y 2 m respectivamente.
La teledetección por satélite se basa en estudiar el cambio en el estado del techo de los edificios mediante comparación de imágenes pre y post tsunami. En áreas pequeñas es posible evaluar el cambio mediante inspección visual, sin embargo, para localidades de mayor extensión suele trabajarse con análisis espectrales, automatizando la evaluación.
31 Figura 2.7: Niveles de daño por teledetección.
Fuente: Gokon, et al., (2010)
Cuando la resolución espacial del set de imágenes es menor (1 x 1 m2), se dificulta la evaluación detalla de las estructuras, por lo que Suppasri, et al., (2011) propone una clasificación de daños utilizando sólo dos niveles (Ver Figura 2.8).
- Destruida: Estructuras colapsadas en las que el techo ha desaparecido.
- Sobreviviente: Estructuras sin daño o con daño leve.
Tabla 2.4: Niveles de daño mediante clasificación por satélite.
Clasificación Criterio
Sobrevivió No se observan cambios en la forma antes y después del tsunami
Mayor Es posible observar un pequeño cambio en techo al comparar las imágenes pre y post tsunami Colapso Se observa claramente que una gran parte del
techo desapareció
32 Figura 2.8: Niveles de daño por teledetección.
Fuente: Suppasri, et al., (2011)
Cabe destacar que el análisis por teledetección sólo permite evaluar el estado de los techos, por lo cual es muy probable que edificaciones con daños en el primer piso no sean correctamente evaluadas si sus techos se encuentran en buen estado.
Trabajo de campo:
En lo que a calidad de información se refiere es por lejos el método más completo. Permite registrar las alturas de inundación y clasificar el daño en tantos niveles como el estudio posterior lo requiera, además de incluir variables como el número de pisos y la materialidad. Dos aspectos negativos que posee son:
- La dificultad de realizar una evaluación en los días inmediatamente posteriores al evento tsunamigénico, pues en muchos casos los caminos de acceso a la localidad se encuentran bloqueados (resultado del sismo) y/o los servicios básicos están fuera de funcionamiento.
33 Gokon, et al., (2010) propuso seis niveles de daño para realizar una clasificación mediante inspección en terreno (Ver Figura 2.9). El criterio de clasificación utilizado se resume en la Tabla 2.5:
Figura 2.9: Niveles de daño mediante encuestas de campo (Gokon). Fuente: Gokon, et al., (2010).
Tabla 2.5: Niveles de daño mediante clasificación en terreno (Gokon).
Clasificación Criterio
Sin daños No presenta inundación
Inundación leve Sólo las ventanas sufrieron daño
Moderado Las paredes presentan daño
Mayor Se destruyó una pequeña parte de la edificación Colapso Se destruyó una gran parte de la edificación Arrasado Sólo quedan las fundaciones de la estructura Desconocido No es posible clasificar
34 Más tarde ese mismo año Murao, et al., (2010) propuso cuatro niveles de daño para realizar la clasificación mediante inspección física (Ver Figura 2.10). La Tabla 2.6 explica el criterio utilizado.
Tabla 2.6: Niveles de daño mediante clasificación en terreno (Murao).
Clasificación Criterio
Sin daño No se observan daños
Daño moderado No se observan daños estructurales. Reusable. Daño grave Posee daños estructurales. Inutilizable
Daño total Daño estructural completo Fuente: Murao, et al., (2010)
Además, incorporó una clasificación estructural para cada edificación según las combinaciones más recurrentes entre material de construcción y número de pisos: (Figura 2.11 y Tabla 2.7)
Tabla 2.7: Clasificación de edificaciones (Murao).
Tipo Edificaciones livianas Edificaciones reforzadas
Estructura (material) Albañilería, bloque, madera Hormigón armado, acero
Número de pisos Uno o dos Dos o más.
Utilización Habitacional o comercial Público, comercial, oficinas Fuente: Murao, et al., (2010)
35 Figura 2.11: Clasificación de estructuras (Murao).
Fuente: Murao, et al., (2010)
Suppasri , et al., (2012a) (2012b) utilizó la información recolectada por el Ministerio de Tierra, Infraestructura, Transporte y Turismo de Japón (MLIT) para el gran tsunami de Japón en 2011, la que considera seis niveles de daño estructural, las mismas utilizadas por Gokon, et al., (2010), y 4 clases de materialidad (Madera, albañilería, Hormigón armado, y acero).
Modelación Numérica:
La modelación numérica se utiliza para obtener las características hidrodinámicas del flujo de inundación del tsunami, es decir, la profundidad de inundación, velocidad, y fuerza hidrodinámica.
Para realizar la estimación se utilizan los valores máximos de inundación y velocidad, sin importar el tiempo de ocurrencia, por lo que este tipo de mapas siempre muestra una inundación mayor a la que realmente ocurre en un sólo instante de tiempo. La extracción de las mayores magnitudes registradas se realiza porque, independiente del momento en que ocurra, en algún intervalo durante la inundación las edificaciones se verán afectadas a ese flujo y la finalidad es evaluar su comportamiento ante el peor escenario.
36 Sistemas de Información Geográfica (GIS)
Finalmente, pero no menos importante, es la utilización de softwares GIS. Estos se utilizan para:
- Clasificación de estructuras: Cuando no existen planos de edificaciones georreferenciados, se puede realizar un levantamiento utilizando softwares de uso libre como Google Earth o de pago como GIS, en combinación con estudios de campo o Google Street View. El procedimiento es simple y consiste en representar las estructuras con un polígono de atributos comunes para cada categoría. Lo más sencillo es utilizar el nombre de la figura como atributo, nombrando del mismo modo todos los edificios con características comunes (ej: todos los edificios de madera de un piso poseerán polígonos llamados “M1”).
- Integrar la información hidrodinámica del flujo de inundación y limpiar los datos. Muchas veces los modelos numéricos entregan resultados del orden de centésimas o con signos contrarios al utilizar elevaciones batimétricas, por lo que la manipulación y extracción de la inundación sólo en suelo seco es un punto fuerte de GIS.
- Una de las formas de visualizar y manipular los datos en GIS es mediante tablas, lo que permite correlacionar en el espacio el daño que sufrió cada una de las estructuras con las variables hidrodinámicas del tsunami modelado.
37 A continuación se explicarán los tres métodos más recurrentes en la construcción de curvas de fragilidad para estimar daños por tsunami.
Construcción de curvas de fragilidad mediante teledetección por satélite y modelación numérica:
Un ejemplo de estimación de daños utilizando este método se puede encontrar en el trabajo desarrollado por Suppasri, et al., (2011), en el cual desarrollan las curvas de fragilidad para Tailandia luego de haber sido impactada por el tsunami que afectó el Océano Índico en 2004.
El procedimiento se podría resumir en los siguientes 8 pasos:
i. Clasificar mediante teledetección el daño de cada una de las viviendas dentro de la zona de inundación del tsunami.
ii. Obtener para cada edificación, la profundidad de inundación máxima (𝑑𝑚𝑎𝑥),
velocidad máxima (𝑣𝑚𝑎𝑥) y máxima fuerza hidrodinámica ejercida por el flujo (𝐹𝑚𝑎𝑥)
(mediante modelación numérica).
La máxima fuerza hidrodinámica está definida como la máxima fuerza de arrastre por unidad de ancho de la estructura (𝑘𝑁/𝑚) y se obtiene de la siguiente ecuación:
𝐹𝑚𝑎𝑥=
1
2𝐶𝐷𝜌 max {v
2𝑑} ∙ 10−3
Donde: 𝐶𝐷 es el coeficiente de arrastre (normalmente 1), 𝜌 = 1000 𝑘𝑔/𝑚3
(densidad del agua) y 𝑣 y 𝑑 son la velocidad (𝑚/𝑠) y profundidad (𝑚) de flujo que afectan a la edificación en cada intervalo de tiempo.
iii. Utilizar un sistema de información geográfica para ensamblar los datos obtenidos
en los pasos anteriores y crear relaciones entre: 𝑑𝑚𝑎𝑥− 𝑑𝑎ñ𝑜, 𝑣𝑚𝑎𝑥− 𝑑𝑎ñ𝑜 y
𝐹𝑚𝑎𝑥− 𝑑𝑎ñ𝑜 para cada una de las estructuras afectadas.
iv. Crear un histograma apilado que relacione el número de edificaciones destruidas (en la parte superior) y sobrevivientes (en la base), en función de los 3 parámetros hidrodinámicos. Utilizar rangos que posean una cantidad similar de estructuras.
38 v. Calcular la probabilidad de daño dentro cada rango
𝑃𝐷=
𝑛° 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑛° 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑎𝑛𝑔𝑜
Calcular la mediana de cada rango y graficar la relación entre cada variable hidrodinámica y su probabilidad de daño asociada.
vi. Graficar x (o lnx) vs φ-1 en papel de probabilidad normal (o lognormal), recordando que ”x” corresponde a la mediana de cada rango y φ-1 es la inversa de la función de probabilidad estandarizada, con P(x) ya conocido, media igual a 0 y desviación estándar 1.
vii. Realizar un ajuste de mínimos cuadrados y obtener la media (punto en que la recta corta el eje de las ordenadas) y la desviación estándar (coeficiente angular) dadas por la siguiente ecuación:
𝑥 = 𝜎 Φ−1+ 𝜇
viii. Construir las curvas de fragilidad utilizando la función (normal o log normal) que más se ajuste a cada parámetro.
(19)
39 Construcción de curvas de fragilidad mediante teledetección por satélite y trabajo de campo
Se realiza el mismo procedimiento descrito anteriormente con la excepción de que sólo se podrá trabajar con la profundidad de flujo registrada en terreno.
Mas, et al., (2012) desarrolló curvas de fragilidad en Dichato para estimar el daño que causó el tsunami de 2010 en Chile.
Al procedimiento descrito en el método anterior se le debe modificar el segundo paso (paso “ii”) de la siguiente manera:
ii. Obtener un registro con las profundidades de inundación y delimitar el área inundada, con una separación entre puntos de máximo 100 metros. Realizar una interpolación para generar un mapa con la distribución de profundidades.
40 Construcción de curvas de fragilidad mediante teledetección por satélite, modelación numérica y
trabajo de campo
Este tipo de estimación de daños es el más completo, pues usualmente el trabajo de campo se utiliza para realizar una clasificación de materialidad y daño, además de registrar profundidades de inundación para posteriormente validar el modelo numérico.
Koshimura, et al., (2009) utilizó un procedimiento similar para estimar el daño estructural en Banda Aceh, Indonesia, luego del terremoto y tsunami de Sumatra – Andaman en 2004.
Se utiliza el procedimiento descrito para la “Construcción de curvas de fragilidad mediante teledetección por satélite y modelación numérica”, pero al disponer de mayor información es posible modificar levemente el primer paso (paso “i”) de la siguiente forma:
i. Clasificar el daño estructural utilizando, por ejemplo, las categorías descritas en las tablas 2.4, 2.5 o 2.6.
41
3 MATERIALES Y MÉTODO
3.1 Mapas de inundación por tsunami
Para crear un mapa con el flujo de inundación que provocaría un posible evento tsunamigénico es necesario modelar numéricamente la generación, propagación e inundación de éste.
A continuación se exponen las etapas que hacen posible la generación de mapas de alturas de inundación, profundidad de flujo, área inundable, velocidad y tiempos de arribo de un tsunami.
3.1.1 Elección de un evento tsunamigénico probable
Para determinar el evento de tsunami a modelar, es posible evaluar dos líneas de información. La primera supone que podría ocurrir un tsunami de magnitud similar al máximo del que se tenga registro. La segunda alternativa analiza los terremotos históricos y los escenarios de futuros sismos probables para modelar y evaluar numéricamente el tsunami que estos generarían. Para ellos se estudian:
- Registro histórico de tsunamis: Puede utilizarse la base de datos de tsunami del National Geophysical Data Center (http://www.ngdc.noaa.gov/hazard/tsu.shtml). También trabajos como tsunamis in Peru-Chile (Lockridge, 1985), Catalog of Tsunamis in the Pacific (Soloviev et al, 1992) y el Registro histórico de tsunamis de SHOA (http://www.shoa.cl/servicios/tsunami/data/tsunamis_historico.pdf).
42
- Finalmente, lo que suele realizarse es un trabajo multidisciplinario junto a profesionales con conocimiento y experiencia en eventos sísmicos, y evaluar los tsunamis que se generaría con las posibles rupturas que ellos estudian y proponen.
En base al potencial sísmico calculado por Chlieh, et al., (2011) para la zona de subducción en el norte de Chile, Yagi, et al., (2014) propuso un escenario de ruptura con una distribución de slip que obedece a la premisa de que fallaría un área correspondiente a la del terremoto de 1877 más la porción sur de la falla de 1868. Por ello, el evento de diseño viene dado por un sismo de magnitud de momento 𝑀𝑤 = 8.81 y slip máximo cercano a 7 [m].
Tanto la magnitud del sismo como la extensión del área inundada por el terremoto y tsunami de Japón oriental en el año 2011 son muy similares a las del terremoto y tsunami de Jogan en 869, por lo cual se podría relacionar que eventos como éste, de magnitud 𝑀𝑤 = 9.0, podrían poseer un periodo de retorno cercano a 1100 años (Minoura, et al., 2001). Sin embargo, esta conjetura sólo fue posible después de ocurrido el actual evento, antes del cual se estimaba que un sismo de magnitud cercana a 8.0 tendría un 99% de probabilidad de ocurrir antes del año 2040 (SENDAI CITY, 2010).
Debido al corto registro de la historia sísmica en Chile (SHOA, 1995), sería posible que algo similar pudiese ocurrir al estimar la magnitud de un escenario máximo posible basados en periodos de retorno de rupturas ocurridas entre la actualidad y hace unos cientos de años, desconociendo eventos tsunamigénicos que hubiesen ocurrido antes de este periodo. Basados en este antecedente se presenta un segundo evento de estudio, el cual considera la misma extensión planteada anteriormente pero incrementando al doble los desplazamientos, dando como resultando un sismo de magnitud 𝑀𝑤 = 9.0.
43 3.1.2 Antecedentes Topobatimétricos
Extensión espacial del dominio de cálculo
Identificar la extensión geográfica de interés depende principalmente de dos aspectos:
- Determinación de las fuentes tsunamigénicas de interés: El dominio de cálculo deberá ser lo suficientemente extenso para permitir la propagación desde la fuente hasta la zona de interés.
- En segundo lugar, un dominio demasiado extenso incurre en demasiados recursos computacionales, por lo que el dominio debe ser al mismo tiempo lo más acotado posible.
En Chile los tsunamis se generan por subsidencia, debido a ello la fosa oceánica es usualmente uno de los límites del primer dominio. Además, el evento a modelar abarca desde el sur de Perú hasta Antofagasta (Ver Figura 3.1-a). Por otra parte, el último dominio debe cubrir desde Zofri hasta el norte de Playa Brava (Ver Figura 3.1-b), con lo cual sería posible determinar una extensión inicial del dominio de estudio y así obtener información topobatimétrica acotada.
44 Fuentes de Información
Una información topobatimétrica deficiente que no incluya estructuras morfológicas relevantes, provocará que los resultados de la modelación no sean representativos para la zona de estudio, por ello, la calidad de la información topobatimétrica de cada grilla es crucial para obtener buenos resultados.
Algunas fuentes de datos batimétricos disponibles actualmente son:
• General Bathymetric Chart of the Oceans (GEBCO): Hasta el momento posee una resolución máxima de 30 segundos de arco (aproximadamente 926 metros).
• Carta Náuticas (CN): Dado que su foco principal es la navegación, las profundidades de agua se encuentran referidas al Nivel de Reducción de Sonda (NRS) y poseen poca información en profundidades menores a 10 m
• Información topográfica y batimétrica de detalle: Para zonas en las que no se cuente con información de resolución suficiente será necesario realizar levantamientos topobatimétricos específicos. En el caso de información topográfica a nivel de zonas pobladas, la metodología tradicional descarta la presencia de estructuras, en lo que se asume es una condición favorable ya que permite un flujo libre del tsunami asumiéndose que podrá alcanzar una mayor penetración horizontal, sin embargo, fuera del modelo numérico se podría observar que el flujo presente aceleraciones locales debido a la influencia de los edificios lo que tal vez ocasionaría un mayor daño.
Se han utilizado tres archivos con distinta calidad de resolución, los que por simplicidad llamaremos TB 1, 2 y 3:
TB-1: Obtenida de la base de datos GEBCO, posee una resolución de 30’’ (alrededor de 925 [m]) y con ella se generaron el primer y segundo dominio (Figura 3.2 (a)). TB-2: Corresponde a cartas náuticas del Servicio Hidrográfico y Oceanográfico de la Armada de Chile (SHOA). Posee una resolución mayor a 6’’ (185 [m]) y se utilizó para crear una malla intermedia (Figura 3.2 (b)).
45 resolución espacial de 0.15’’ (aproximadamente 4.5 [m]), la que se utilizó para caracterizar el área de interés (Figura 3.2 (c)).
Figura 3.2: Topobatimetría de distinta resolución. (a) TB-1. (b) TB-2. (c) TB-3.
Estandarización de datos batimétricos
Al utilizar información topográfica y batimétrica de distinta procedencia, suele ocurrir que posean distintas referencias. Por ello debe realizarse una estandarización horizontal y vertical de los datos.
Lo usual es utilizar el nivel medio del mar como Nivel de Referencia Topográfica y Batimétrica (NRTB) trabajando las elevaciones resultantes en función de la batimetría. Luego se estandarizan horizontalmente al sistema de coordenadas geográficas o al sistema Universal Transversal de Mercator (UTM).
46 3.1.3 Condición Inicial
Mansinha y Smylie (1971) definieron que la deformación en la superficie del océano ocurría de manera casi instantánea a la ruptura y que esta era idéntica al desplazamiento vertical del fondo marino.
Varios años después, Okada (1985) plantea parámetros de desplazamiento para caracterizar el sismo mediante los parámetros estáticos de una dislocación elástica (Ver Figura 3.3). Los parámetros dinámicos como velocidad y tiempo de ruptura se descartan en sismos de longitud de ruptura pequeña, sin embargo, no puedes ser descartados en la modelación de mega terremotos porque generalmente el proceso de ruptura involucra posee una mayor variación temporal y las áreas de ruptura también son más grandes (Suppasri, et al., 2010)
Figura 3.3: Parámetros de una falla planar Fuente: Yamazaki, et al. (2011)
47 Esta formulación, además de utilizar el momento y magnitud del sismo, considera los siguientes parámetros:
Slip: Magnitud del desplazamiento relativo del plano de falla. Width: Ancho del plano de falla.
Length Largo del plano de falla.
Dip angle: Ángulo de ruptura con respecto al plano vertical. Rake angle: Ángulo de deslizamiento en el plano de falla.
Strike angle: Dirección de la falla con respecto al norte y en sentido horario. Reference Depth: Distancia desde la superficie del océano hasta el origen de la falla.
Reference point: Ubicación del punto inferior izquierdo (suroeste) de la falla en el sistema de coordenadas.
En Chile, las zonas de falla poseen normalmente un ángulo dip de 20°, pues es el ángulo con que la placa de nazca se introduce bajo la placa continental. Un ángulo rake entre 100° y 110°, aunque normalmente se considera como 90° por tratarse de un caso más desfavorable el asumir que la dalla ocurre en la misma dirección en la que avanza la placa de nazca. Y un ángulo strike cercano a los 330° en el extremo norte (Arica) y alrededor de 2° en Iquique y Antofagasta, lo que corresponde al ángulo de la fosa oceánica con respecto al norte.
Hasta el momento no existe correlación entre la magnitud de un sismo y la magnitud del tsunami que éste pudiese generar, debido a que el tsunami se evalúa según la altura de inundación, las profundidades de flujo, el run up y las velocidades que se registran en la localidad, lo que depende fuertemente de la ubicación de la falla con respecto a la costa y la topografía propia del sector.
48 3.1.4 Modelo numérico
TUNAMI-N2 fue creado por la universidad de Tohoku como parte del proyecto TIME (Tsunami Inundation Modeling Exchange). Utiliza la teoría lineal de onda larga sin fricción de fondo en aguas profundas, considerando despreciable la aceleración vertical de las partículas y por consiguiente el movimiento vertical no tiene efecto en la distribución de presiones. 𝜕𝜂 𝜕𝑡+ 𝜕𝑀 𝜕𝑥 + 𝜕𝑁 𝜕𝑦 = 0
𝑔𝐷𝜕𝜂 𝜕𝑥+
𝜕𝑀 𝜕𝑡 = 0
𝑔𝐷𝜕𝜂 𝜕𝑦+
𝜕𝑁 𝜕𝑡 = 0
En aguas someras calcula con las ecuaciones de movimiento no lineal integradas verticalmente en tierra modela la inundación con la ecuación de run up.
𝜕𝜂 𝜕𝑡+
𝜕𝑀 𝜕𝑥 +
𝜕𝑁 𝜕𝑦 = 0 𝜕𝑀
𝜕𝑡 + 𝜕 𝜕𝑥(
𝑀2 𝐷 ) +
𝜕 𝜕𝑦(
𝑀𝑁 𝐷 ) + 𝑔𝐷
𝜕𝜂 𝜕𝑥+
𝑔𝑛2
𝐷7/3𝑀√𝑀2+ 𝑁2= 0
Donde:
𝑥, 𝑦, 𝑡: Corresponde a las dos coordenadas geográficas (sólo considera el plano horizontal), y el tiempo respectivamente.
𝑀, 𝑁: Componentes verticales del flujo transportado integradas por unidad de ancho en la horizontal, y en la vertical respectivamente.
𝜂: Es el desplazamiento vertical con respecto al nivel de mar inmediatamente antes de la perturbación.
𝑔, 𝐷: Aceleración de gravedad y profundidad de agua respectivamente.
𝑛: Coeficiente de fricción de fondo de Manning (normalmente 0.025)
(6)
(7)
(8)
(9)
49 3.1.5 Mallas: Resolución espacial y temporal
Las grillas utilizadas para modelación numérica en TUNAMI deben respetar un incremento en la resolución espacial Δ𝑥 y temporal Δ𝑡 de 1:3 desde el dominio de mayor extensión al que se encuentra anidado dentro de él, por ejemplo, el dominio 2 debe tener una resolución espacial y temporal 3 veces mayor que el dominio 1. Dichas condiciones son recomendaciones propuestas por sus autores para una menor probabilidad de inestabilidad en el modelo.
El tiempo de integración depende del número de Courant, y se recomiendan valores cercanos a 𝐶𝑚á𝑥 = 0.5 :
∆𝑥 ∆𝑡√𝑔ℎ𝑚𝑎𝑥
≤ 𝐶𝑚𝑎𝑥
Para modelar numéricamente la ruptura del fondo oceánico, la condición inicial del tsunami, su propagación e inundación en Iquique se utilizaron 5 mallas anidadas con resolución espacial de 810, 270, 90, 30 y 10 [m] desde el primer al último dominio respectivamente.
La Figura 3.4 muestra los 5 dominios de cálculo, donde las elevaciones se encuentran en función de la batimetría debido a que así lo requiere el código TUNAMI.
A pesar de que todas las mallas poseen información topográfica y batimétrica, por simplicidad sólo se detalla la topografía en la última grilla, pues es en la cual se estudiará la inundación.
